Düzenli Mezogözenekli Karbon Nanomalzemelerin Sentezi ve Uygulama Alanları

Abstract

Karbonlar yüksek yüzey alanına, yüksek termal ve mekanik dayanıklılığa sahip olmasından dolayı katalizör destek malzemesi olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda PEM yakıt pillerinde iyonik iletkenliği arttırmak ve kütle limitasyonlarını azaltmak için karbon katalizör kullanımı yaygınlaşmıştır. Bu çalışmada amaç PEM yakıt pillerinde kullanılmak üzere düzenli mezogözenekli karbon sentezlemektir. Karbon sentezinde kullanılacak şablon yapıyı oluşturmak için sentez koşulları değiştirilerek SBA-15 ve MCM-48 silika yapıları sentezlenmiştir. SBA-15 için sıcaklık 35°C-45°C arasında, yaşlandırma süresi 24-72 saat arasında, TEOS miktarı da literatür değeri ve 20% fazlası olarak seçilmiştir. MCM-48 için ise hidrotermal sentez, oda sıcaklığında sentez ve çift şablonlu sentez yöntemleri kullanılmıştır. Sentezlenen örneklerden hekzagonal yapıya ve yüksek yüzey alanına sahip SBA-15 ve kübik yapıya sahip MCM-48 numunelerinden CMK-3 ve CMK-1 yapılarına geçilmiştir. Son aşamada ise CMK-3 karbonuna mikrodalga yöntemi ile platin eklenerek katalizör sentezlenmiştir. Tüm numunelerin azot adsorpsiyon/desorpsiyon izotermleri incelenmiştir. SBA-15 ve MCM-48 numunelerinin BET yüzey alanları sırasıyla 562-753 m2/g ve 797-1103 m2/g arasında değişirken, BJH metoduyla hesaplanan gözenek boyutları sırasıyla 3,28-4,21 nm ve 1,53-1,91 nm arasındadır. Yüksek yüzey alanı ve düzgün gözenek boyut dağılımına sahip numunelerin XRD sonuçları incelenmiştir. SBA-15 ve CMK-3'ün hekzagonal yapıya, MCM-48 ve CMK-1'in ise kübik sisteme sahip olduğu görülmüştür. EDS ve TGA sonuçları incelendiğinde karbon desteğine 18,5% oranında platin katıldığı görülmüştür.

Carbon is used as catalyst support material because of its high surface area, high thermal and mechanical strength. In recent years, the use of carbon catalysts has become widespread to increase ionic conductivity and reduce mass limitations in PEM fuel cells. The purpose of this work is to synthesize ordered mesoporous carbon for use in PEM fuel cells. SBA-15 and MCM-48 silica structures were synthesized by changing the synthesis conditions to form a template for use in carbon synthesis. For SBA-15, the temperature was between 35°C-45°C, the aging time was between 24-72 hours, the amount of TEOS was the literature value and 20% more. For MCM-48, hydrothermal synthesis, room temperature synthesis and co-template synthesis methods were used. From the synthesized samples, SBA-15 with hexagonal structure and MCM-48 with cubic structure and have teh highest surface area were used as template for CMK-3 and CMK-1 structures. At the last stage, platinum was added to CMK-3 and CMK-1 carbons and the catalyst was synthesized by microwave method. Nitrogen adsorption/desorption isotherms of all samples were investigated. The BET surface areas of the SBA-15 and MCM-48 samples range from 562-753 m2/g and 797-1103 m2/g, respectively. The pore sizes calculated by the BJH method are 3.28-4.21 nm and 1.53-1.91 nm respectively. XRD results of samples with high surface area were investigated. SBA-15 and CMK-3 are hexagonal, while MCM-48 and CMK-1 have a cubic system. When EDS and TGA results are examined, it was seen that 18.5% of platinum in carbon support.